Monitoring the efficacy of aseptic sterilization processes by means of calorimetric and impedimetric sensing principles

Package sterilization is an essential step during aseptic packaging of food, pharmaceuticals or medical instruments to prevent microbiological contamination of the product. In food industries, the main objective is to produce consumer-safe and long-term stable food products. In recent years, the fav...

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Main Author: Oberländer, Jan
Contributors: Schöning, Michael J. (Prof. Dr.) (Thesis advisor)
Format: Doctoral Thesis
Language:English
Published: Philipps-Universität Marburg 2018
Subjects:
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Table of Contents: Ein wesentlicher Prozessschritt bei der Herstellung von aseptisch verpackten Lebensmitteln ist die Sterilisation der Packstoffe. Diese ist notwendig, um eine Rekontamination der Lebensmittel mit Mikroorganismen zu verhindern und dem Verbraucher ein sicheres und lang haltbares Produkt zur Verfügung zu stellen. Für die Sterilisation der Packstoffe wurde in den letzten Jahren vermehrt gasförmiges Wasserstoffperoxid (H2O2) bei erhöhter Gastemperatur eingesetzt. Dieses erzielt eine hohe Sterilisationswirkung innerhalb einer kurzen Expositionszeit. Derzeit wird dieser kritische Prozess industriell lediglich über die Erfassung der Maschinenparameter sowie mittels zeit- und kostenintensiver mikrobiologischer Verfahren überwacht. Ziel dieser Arbeit war es daher, Sensor-basierte Methoden zu entwickeln und zu charakterisieren, um die Wirksamkeit des Sterilisationsprozesses zeitnah beurteilen zu können. Hierzu wurden im ersten Teil dieser Arbeit Sensoren nach dem kalorimetrischen Sensorprinzip untersucht und weiterentwickelt. Materialanalysen des eingesetzten Katalysators Manganoxid wurden durchgeführt, um den Reaktionsmechanismus mit dem Prozessgas H2O2 zu beschreiben. Hierzu erfolgten Oberflächenuntersuchungen mittels XPS. Hierbei konnten Veränderungen der Oxidationsstufe des Katalysators nachgewiesen werden. Weitere Materialanalysen wurden an Polymeren durchgeführt, diese werden zur Passivierung der entwickelten Sensorstrukturen eingesetzt. Diese Materialien wurden hinsichtlich ihrer Beständigkeit gegenüber den harschen Prozessbedingungen untersucht. Insgesamt wurden drei Polymere charakterisiert: ein Epoxy-basierter Photoresist (SU-8) sowie die beiden Teflon-Derivate PFA und FEP. In thermischen Analysen konnte der Einsatzbereich der Polymere hinsichtlich der maximalen Temperaturen abgegrenzt werden. Zusätzlich fanden Oberflächencharakterisierungen vor und nach der Exposition im Sterilisationsprozess statt; hier zeigten die untersuchten Materialien ihre Beständigkeit gegenüber H2O2-Gas. Im Weiteren wurden mittels analytischer Methoden theoretische Betrachtungen des kalorimetrischen Gassensors durchgeführt. Hierzu wurden thermodynamische Beziehungen des Wärme- und Massetransportes aufgestellt und mit experimentellen Messungen abgeglichen. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde ein neuartiger Biosensor entwickelt und charakterisiert. Dieser basiert auf Interdigitalelektroden, welche auf einem isolierenden Substrat, z.B. aus Glas, mittels Dünnschichttechnologien hergestellt wurden. Diese IDE wurden mittels physikalischer Methoden wie REM, AFM sowie elektrisch mittels Impedanz-Spektroskopie charakterisiert. Auf diese IDE wurden widerstandsfähige Mikroorganismen (Sporen des Typs B. atrophaeus) immobilisiert; diese werden in der Industrie bei mikrobiologischen Challenge-Tests zur Evaluierung des Sterilisationsprozesses eingesetzt. Mittels Impedanz-Spektroskopie wurde die Impedanz der IDE vor und nach der Immobilisierung, sowie nach dem Sterilisationsprozess, erfasst. Nach jedem dieser Schritte konnten Änderungen in Impedanz und Phase detektiert werden. Insbesondere die Impedanzänderungen nach der Sterilisation wurden in Beziehung mit morphologischen Veränderungen der Sporen gebracht, welche wiederum in Relation zur H2O2-Konzentration des Sterilisationsprozesses standen. Die morphologischen Veränderungen wurden mittels physikalischer Methoden (REM und TEM) nachgewiesen. Numerische Simulationen der IDE-Strukturen wurden eingesetzt, um die Verteilung des elektrischen Feldes zu analysieren. Darüber hinaus konnten elektrische Eigenschaften, wie relative Permittivität und elektrische Leitfähigkeit, der Sensormaterialien sowie der biologischen Sporen analysiert werden. In dieser Arbeit wurde ein Sporen-basierter Biosensor erfolgreich entwickelt und charakterisiert. Dieser ermöglicht eine zeitnahe Evaluierung des Sterilisationsprozesses innerhalb von Minuten, verglichen mit konventionellen mikrobiologischen Methoden, bei denen eine Auswertung in der Regel erst nach 72 Stunden möglich ist. Der Biosensor erfasst dabei nicht nur Parameter wie H2O2-Konzentration und Temperatur, sondern direkte Auswirkungen an mikrobiologischen Testkeimen. Die Kombination von beiden Messverfahren, kalorimetrischer Gassensor und impedimetrischer Biosensor, ermöglicht eine detaillierte Abbildung des Sterilisationsprozesses.